Progressi della ricerca e opportunità di sviluppo della tecnologia dei trasduttori acustici subacquei(2

 Progressi della ricerca sui trasduttori per acque profonde

 

Lo spazio in acque profonde rappresenta la nuova vetta dell’attuale competizione militare marittima. Uno degli obiettivi strategici marini del mio Paese è spostarsi verso il profondo blu. Lo sviluppo di apparecchiature acustiche per acque profonde promuove continui progressi nella ricerca sui trasduttori per acque profonde. Tra i trasduttori a bassa frequenza introdotti nella sezione 1.1 di questo articolo, il trasduttore a disco curvo e il trasduttore ad anello di accoppiamento tubo-trave con struttura a cavità di troppopieno sono anche esempi di progettazione di trasduttori per acque profonde. Non li ripeterò qui, ma ne presenterò alcuni tipici. I nuovi risultati della ricerca sui trasduttori per acque profonde.

 

La Figura 7a mostra i due Helmholtz principali strutture di trasduttori acustici subacquei che utilizzano l'eccitazione finale e l'eccitazione intermedia. Viene effettuato lo studio teorico della frequenza di risonanza della cavità liquida in condizioni di parete elastica. La Figura 7b mostra il trasduttore a banda larga a bassa frequenza multi-cavità progettato utilizzando il trasduttore del tubo di troppopieno come sorgente di eccitazione. Il trasduttore Janus-Helmholtz a bassa frequenza e ad alta potenza progettato in Fig. 7c; è inoltre estendendo la cavità cilindrica del trasduttore Janus-Helmholtz verso la parte anteriore della radiazione del pistone, si forma una nuova cavità liquida alla bocca del radiatore Janus. Il trasduttore Janus-Helmholtz multi-cavità (Figura 7d) consente al trasduttore di avere una banda di frequenza di lavoro più ampia. La Figura 7e mostra il trasduttore ad anello di troppopieno progettato per acque profonde per la comunicazione acustica subacquea. Il progetto utilizza l'effetto di accoppiamento della risonanza della cavità del liquido e della vibrazione radiale dell'anello circolare per ottenere caratteristiche operative a banda larga. La Figura 7f mostra la direttività progettata nel semispazio del trasduttore a banda larga per acque profonde con anello di troppopieno. La base metallica viene utilizzata per migliorare la direttività verticale del trasduttore e sopprimere la radiazione posteriore. Il trasduttore longitudinale a banda larga per acque profonde progettato nella Figura 7g. Il trasduttore utilizza l'accoppiamento della vibrazione longitudinale e della vibrazione di flessione della copertura anteriore per ottenere il funzionamento a banda larga. Il trasduttore è incapsulato in un alloggiamento resistente alla pressione in lega di titanio e l'alloggiamento e il trasduttore sono riempiti con olio siliconico. , Attraverso il dispositivo di bilanciamento della pressione per ottenere lavori in acque profonde.

 

Figura 7 Trasduttore per acque profonde

1.4 Progresso della ricerca sull'idrofono vettoriale

Con la profonda attenzione delle persone alle informazioni vettoriali del campo sonoro e all'importanza di ricerca sugli idrofoni vettoriali , la tecnologia degli idrofoni vettoriali continua a svilupparsi ed è diventata uno dei punti caldi della ricerca internazionale negli ultimi anni. Nel 21° secolo, la ricerca sulle applicazioni degli idrofoni vettoriali nel mio paese è la più attiva. Secondo i risultati statistici della fine del 2014, quasi la metà dei risultati accademici nel campo degli idrofoni vettoriali internazionali e delle loro applicazioni provenivano dal mio Paese. Ecco una breve introduzione ai recenti progressi della ricerca sugli idrofoni vettoriali.

 

La struttura tipica di un idrofono vettoriale è un comodo. L'idrofono vettoriale comodico è realizzato incapsulando elementi sensibili inerziali (accelerometri di vibrazione, contachilometri, ecc.) in un guscio sferico o cilindrico. Il suo principio di funzionamento si basa sulle caratteristiche di una sfera o di un cilindro rigido che esegue un movimento oscillatorio sotto l'azione di un campo sonoro ed è generalmente progettato per una galleggiabilità pari a zero (Figura 8a). La teoria e la tecnologia in questo settore sono relativamente mature. Al giorno d'oggi, nuovi tipi di materiali piezoelettrici monocristallini PMNT e PZNT vengono utilizzati per ridurre il volume dell'idrofono, aumentare la sensibilità e ridurre il rumore proprio. Gli idrofoni vettoriali vengono utilizzati principalmente negli array a terra, negli array trainati e negli array laterali. Gli idrofoni vettoriali a bassa frequenza vengono utilizzati anche nella misurazione del rumore dell'ambiente marino, sommergibili/boe e altri sistemi.

Figura 8 Idrofono vettoriale

La Figura 8b è un idrofono vettoriale a colonna covibrante che può essere installato in modo fisso. Il suo principio di base non è cambiato. Nella struttura, il telaio di sospensione viene sostituito da un'asta di montaggio e la molla di sospensione viene sostituita con una molla di gomma. Lo scenario applicativo di questa struttura può essere esteso all'installazione fissa sul pianale portante.

 

Con lo sviluppo della tecnologia di elaborazione microelettromeccanica (MEMS), la tecnologia MEMS è stata applicata alla progettazione e allo sviluppo di idrofoni vettoriali. La tecnologia MEMS può integrare componenti microelettronici come unità sensibili, circuiti di controllo, circuiti di adattamento a basso rumore e moduli di pre-elaborazione di campionamento. In uno, il segnale acustico viene convertito in un segnale elettrico. Una tipica modalità di lavoro consiste nell'utilizzare un sensore di microaccelerazione come elemento sensibile (Figura 8c), utilizzare il principio dell'effetto piezoresistivo del silicio monocristallino per progettare un chip sensibile e sviluppare un idrofono vettoriale MEMS composito cilindrico con co-vibrazione tridimensionale. Un'altra modalità di lavoro si basa sul principio della bionica, imitando il principio delle cellule di rilevamento meccanico laterale del pesce per rilevare il movimento dell'acqua, e ha progettato un idrofono vettoriale piezoresistivo MEMS (Figura 8d).

 

L'idrofono a fibra ottica è una delle applicazioni di successo della tecnologia di rilevamento a fibra ottica nel campo dell'acustica subacquea. Mostra le caratteristiche tecniche di alta sensibilità, basso rumore, ampia gamma dinamica e anti-interferenza. Negli ultimi anni è stato ampiamente utilizzato anche negli idrofoni vettoriali. I ricercatori hanno progettato e sviluppato un idrofono vettoriale in fibra ottica. La Figura 8e è un idrofono vettoriale a fibra ottica cilindrico tridimensionale. Sulla base del reticolo di Bragg, vengono progettate l'unità di rilevamento dell'accelerazione e l'unità di rilevamento della pressione sonora, e viene sviluppato l'idrofono vettoriale pressione sonora-vibrazione della velocità. La Figura 8f è un idrofono vettoriale in fibra sferica 3D. Sulla base del sistema completo di interferenza delle fibre che mantiene la polarizzazione, è stato sviluppato un idrofono vettoriale in fibra interferometrica a mandrino ortogonale 3D, che ha una struttura compatta e il centro del suono coincide in un punto.

 

Il progresso della ricerca su trasduttori a bassa frequenza, trasduttori a banda larga ad alta frequenza, trasduttori per acque profonde e idrofoni vettoriali. Sebbene i dati raccolti non siano esaustivi, sono abbastanza tipici e rappresentativi. Fondamentalmente descrive il profilo di frontiera dello sviluppo dei trasduttori acustici subacquei del mio paese. Rispetto all’iconico lavoro di innovazione sui trasduttori in diversi periodi nel mondo, una parte considerevole del lavoro di progettazione innovativa nel mio paese è diversi anni o addirittura più di dieci anni dopo rispetto al livello tecnologico all’avanguardia internazionale.

 

Il maggiore impulso per lo sviluppo dei trasduttori idroacustici nel mio Paese proviene dai requisiti applicativi nel campo della tecnologia idroacustica. In un periodo in cui la forza economica e la forza scientifica e tecnologica del mio Paese sono relativamente deboli, questo metodo di sviluppo è il più efficace, ma dopo un lungo periodo di tempo ci saranno evidenti tracce storiche, che si tradurranno in discipline non sistematiche, serie di prodotti incomplete e fondamenti teorici. La situazione di tecnologia specializzata inaffidabile e imperfetta, supporto professionale insostenibile e team di talenti instabile.

 

In termini di tecnologia dei trasduttori per acque profonde, alcuni dei principali paesi marini dispongono già di molte tecnologie e serie di prodotti maturi nel 20° secolo. Alcune apparecchiature acustiche civili per acque profonde possono anche essere esportate nel mio paese. Tuttavia, la domanda di tecnologia sonar per acque profonde nel mio paese non era ancora forte fino alla fine del XX secolo. A quel tempo la tecnologia dei trasduttori per acque profonde era quasi vuota. Negli ultimi anni, il Paese ha aumentato i propri investimenti e prestato attenzione alla ricerca di teorie di base e dispositivi fondamentali. Sono emerse nuove conquiste nel campo dei trasduttori acustici subacquei, le capacità tecniche sono state migliorate anno dopo anno e il progresso tecnologico è stato notevole. Alcuni dei risultati della ricerca elencati nell'articolo precedente sono sincronizzati con il livello di frontiera internazionale, ma la sincronizzazione generale e lo slancio globale dello sviluppo parallelo sono lungi dall'essere formati, specialmente nelle direzioni storicamente brevi e deboli della tecnologia dei trasduttori e nelle nuove conquiste tecnologiche. È solo raro e le prestazioni del prodotto sono ancora molto deboli.